JP4935566B2 - 車両用燃料電池システムおよび車両用燃料電池システムにおける運転温度の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両用燃料電池システム、および、その運転温度の制御方法に関する。

例えば、特許文献１には、燃料電池を冷却する冷却手段を空冷する冷却ファンを最適に制御する手法について開示されている。具体的には、目標放熱量が上昇している場合、燃料電池の出力が大きい程、ラジエータファンの回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出し、目標放熱要求が低下している場合、燃料電池の出力が大きい程、ラジエータファンの回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。そして、目標放熱量が回転開始閾値を越えている場合にはラジエータファンを起動する。
特開２００５−５０４０号公報

ところで、特許文献１に開示された手法によれば、燃料電池システムから取り出す最低取出電流に対応する上限温度、具体的には、最低取出電流が燃料電池から取り出される運転状況においてその燃料電池のドライアウトを抑制する上限温度が、目標運転温度として設定される。そのため、目標運転温度が低い温度値に設定されるため、中、高負荷では、目標運転温度を超えてしまい、ラジエータファンが最大回転数で動作し、音振性能と燃費とが悪くなってしまう可能性がある。また、このような状況から、アイドル運転まで出力を落とした場合には、目標運転温度への冷却が間に合わずに、ドライアウトが発生する可能性もある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライアウトを抑制しつつ、冷却手段の音振性能、冷却性能、燃費の向上を図る。

かかる課題を解決するために、本発明は、車両減速時に燃料電池から放熱可能な熱量である放熱可能熱量に基づいて、燃料電池の目標運転温度を算出し、この目標運転温度に基づいて、冷却手段を制御する。

本発明によれば、ドライアウトを抑制しつつ、冷却手段の音振性能、冷却性能、燃費の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、例えば、車両に搭載されて、その電源として機能する車両用燃料電池システムである。

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素を用いるケースについて説明する。

この燃料電池スタック１を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧バルブ１１は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力（燃料極における水素の圧力）が所望の値となるように、後述するコントロールユニット４０によってその開度が制御される。

燃料極から排出される排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路（循環流路）Ｌ２へと導入される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極側からの排出ガスは、水素循環流路Ｌ２を通り水素供給流路Ｌ１（すなわち、燃料極における水素の供給側）へと循環される。水素循環ポンプ１２の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、コントロールユニット４０によって制御される。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１の出力が低下したり、水素循環ポンプ１２によって水素を循環させることができなくなったりして、安定した発電を行うことができなくなる。そのため、燃料極および水素循環流路Ｌ２内の不純物量を管理する必要があり、水素循環流路Ｌ２には、これを流れるガスを外部に排出する排出流路Ｌ３が設けられている。この排出流路Ｌ３には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開き量を調整することにより、排出流路Ｌ３を介して外部に排出される不純物量を調整することができる。また、排出流路Ｌ３には、水素希釈装置１４が設けられており、不純物を排出する際に同時に排出される水素は、この水素希釈装置１４によって、車外へ放出する前に希釈される。パージバルブ１３は、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する不純物量が発電性能および循環性能を維持できるように、その開き量がコントロールユニット４０によって制御される。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれた後に加圧されて、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ４には、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５には、空気調圧バルブ２１が設けられている。この空気調圧バルブ２１は、燃料電池スタック１へ供給される空気圧力（酸化剤極における空気の圧力）が所望の値となるように、その開度がコントロールユニット４０によって制御される。また、コンプレッサ２０の駆動量、すなわち、その回転数は、酸化剤極に供給される空気圧力を加味した上で、燃料電池スタック１へ供給される空気流量が所望の値となるように、コントロールユニット４０によって制御される。

冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷媒が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ６を有している。この冷却流路Ｌ６には、冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ３１と、ラジエータ３２と、このラジエータ３２に送風するラジエータファン３３が設けられている。この冷媒循環ポンプ３１を動作させることにより、冷却流路Ｌ５内の冷媒が循環する。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷媒は、冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３２へと流れ、ラジエータ３２によって、その熱が放熱されることにより冷却される。冷却された冷媒は、燃料電池スタック１へと供給される。冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。ラジエータファン３３の駆動量、すなわち、回転数を制御することにより、所望の放熱量を得ることができる。

また、冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１から排出された冷媒を、ラジエータ３２を経由させずに燃料電池スタック１へと循環させるバイパス流路Ｌ７を含んでいる。冷媒流路Ｌ６とバイパス流路Ｌ７との交点には、三方弁３４が設けられており、この三方弁３４の設定開度に応じて、ラジエータ３２を経由する冷却ルートと、ラジエータ３２を迂回するバイパスルートとの間で冷媒の分配流量を切り替えることができる。三方弁３４の開度を制御することにより、冷却ルートとバイパスルートとにおける冷媒流量比が調整され、燃料電池スタック１内を流れる冷媒を所望の温度に調整することができる。

冷媒循環ポンプ３１およびラジエータファン３３の駆動量、および、三方弁３４の開度は、燃料電池スタック１へ流入する冷媒の温度（以下「入口冷媒温度」という）が目標冷媒温度（すなわち、燃料電池スタック１の目標運転温度）となるように、コントロールユニット４０によって制御される。なお、入口冷媒温度に基づいて冷媒の温度を制御する場合、入口冷媒温度が目標冷媒温度に到達したとしても、燃料電池スタック１から排出される冷媒の温度は、燃料電池スタック１の出力に応じて変化する。本実施形態において、冷媒循環ポンプ３１、ラジエータ２、ラジエータファン３３および三方弁３４は、燃料電池スタック１を冷却する冷却手段として機能している。

燃料電池スタック１には、出力取出装置２が接続されている。この出力取出装置２は、コントロールユニット４０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電流）を取り出して、この取り出した出力を、車両を駆動する電動モータ３、燃料電池スタック１を動作させる種々の補機（例えば、コンプレッサ２０、水素循環ポンプ１２、冷媒循環ポンプ３１、ラジエータファン３３など）、および、車両系のシステム（空調装置など）へと供給する。

出力取出装置２および電動モータ３には、バッテリ４が並列的に接続されており、このバッテリ４は、次に示すような機能を担っている。第１に、システムに要求される出力（要求出力）に対して、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の出力を電動モータ３などに供給する。第２に、燃料電池スタック１の発電電力が要求出力に対して余剰の場合、余剰分の出力を蓄電する。

図２は、コントロールユニット４０を示すブロック図である。コントロールユニット４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従ってシステムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。コントロールユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御出力として各種のアクチュエータに出力し、冷媒循環ポンプ３１、ラジエータファン３３、三方弁３４といった種々の要素を制御する。また、コントロールユニット４０には、システムの状態を検出するために、検出部５から信号が制御入力として入力されている。

検出部５は、各種のセンサ等によって構成される検出手段の総体であり、本実施形態では、車速、外気温、外気圧、ラジエータファン３３の回転数、入口冷媒温度、冷媒循環ポンプ３１の回転数、三方弁３４の開度などを検出している。また、検出部５は、周知のナビゲーションシステムの情報に基づいて、現在車両が走行している走行環境を示す走行パターンを検出する。

本実施形態との関係において、コントロールユニット４０は、これを機能的に捉えた場合、算出部（算出手段）４１と、制御部（制御手段）４２とを有している。算出部４１は、車両減速時に燃料電池スタック１から放熱可能な熱量である放熱可能熱量を算出するとともに、この放熱可能熱量に基づいて、燃料電池スタック１の目標運転温度を算出する。また、算出部４１は、燃料電池スタック１から取り出す取出電流と、この取出電流に対応するドライアウト上限温度との関係を保持している。ここでドライアウト上限温度は、燃料電池スタック１の性能劣化を引き起こす程度に固体高分子膜が乾燥状態となることを抑制するための運転温度の上限値であり、取出電流に対応する運転条件に基づいて、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。

制御部４２は、算出部４１によって算出された目標運転温度に基づいて、冷媒循環ポンプ３１、ラジエータファン３３および三方弁３４を制御する。また、制御部４２は、必要に応じて、燃料電池スタック１から取り出す取出電流の下限制限値を設定するとともに、出力取出装置２を制御して、この下限制限値よりも取出電流が下回らないように取出電流を制限する。

図３は、燃料電池システムにおける運転温度の制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、コントロールユニット４０によって実行される。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、算出部４１は、検出部５から検出値（検出パラメータ）を読み込む。このステップ１において読み込まれる検出パラメータとしては、車速、外気温、外気圧、ラジエータファン３３の回転数、入口冷媒温度、冷媒循環ポンプ３１の回転数、三方弁３４の開度、および、走行パターンが挙げられる。

図４は、冷媒低下温度Ａの算出概念を示す説明図である。ステップ２（Ｓ２）において、算出部４１は、冷媒低下温度Ａを算出する。この冷媒低下温度Ａは、車両が減速してから停止するまでの時間（減速時間）Ｔｓに、冷媒が低下する温度（絶対値）を示している。算出部４１は、このステップ２において、冷媒低下温度Ａを算出する前提として、車両減速時に燃料電池スタック１から放熱可能な熱量を放熱可能熱量Ｑ３ｔとして算出している。この放熱可能熱量Ｑ３ｔは、減速時間Ｔｓにおいて燃料電池スタック１が発熱するトータルの発熱量（以下「総発熱量」という）Ｑ１ｔと、減速時間Ｔｓにおいてラジエータ３２から放熱されるトータルの放熱量（以下「総放熱量」という）Ｑ２ｔとに基づいて、算出される。

具体的には、算出部４１は、現在の車速に基づいて、減速時間Ｔｓを算出する。車速と、これに対応する減速時間Ｔｓとの関係は、実験やシミュレーションを通じて予め取得されており、これがマップとして保持されている。また、車速と減速時間Ｔｓとの対応関係は、市街地、郊外、田舎、高速道路、渋滞路といったように走行パターン毎に設定されている。算出部４１は、車速に加え、さらに走行パターンに基づいて、減速時間Ｔｓを算出する。

総発熱量Ｑ１ｔは、燃料電池スタック１の現在の発熱量Ｑ１と、減速時間Ｔｓとに基づいて算出される。ここで、現在の発熱量Ｑ１は、燃料電池スタック１の出力Ｐと、燃料電池スタック１の発電効率Ｅとに基づいて、算出される。具体的には、燃料電池スタック１の出力Ｐをその発電効率Ｅで除算した除算値から、燃料電池スタック１の出力Ｐを減算することにより算出される。そして、総発熱量Ｑ１ｔは、下式に示すように、燃料電池スタック１の発熱量が、現在の値Ｑ１から線形的に低下して、減速時間Ｔｓの終了とともにゼロに到達すると考えることにより、一義的に算出される。

（数式１）
Ｑ１ｔ＝（Ｑ１×Ｔｓ）／２・・・・（Ｑ１＝Ｐ／Ｅ−Ｐ）
総放熱量Ｑ２ｔは、ラジエータ３２における現在の放熱量Ｑ２と、減速時間Ｔｓとに基づいて算出される。現在の放熱量Ｑ２は、冷却系による燃料電池スタック１の放熱に起因する放熱パラメータより算出される。この放熱パラメータとしては、ラジエータ３２を通過する風量、外気温と燃料電池スタック１の運転温度との温度差、外気圧、および、ラジエータ３２を流れる冷媒流量が挙げられる。これらの放熱パラメータは、検出部５から読み込まれた検出値を参照することにより、特定することができる。具体的には、ラジエータ３２を通過する風量は、車速およびラジエータファン３３の回転数から特定可能であり、燃料電池スタック１の運転温度としては、入口冷媒温度から特定可能である。また、ラジエータ３２を流れる冷媒流量は、冷媒循環ポンプ３１の回転数および三方弁３４の開度から特定可能である。なお、放熱パラメータは、上記したパラメータの全てを用いることが好ましいが、それらの少なくとも一つに基づいて、現在の放熱量Ｑ２を算出してもよい。

総放熱量Ｑ２ｔは、下式に示すように、ラジエータ３２における放熱量が、現在の値Ｑ２から線形的に低下して、減速時間Ｔｓの終了とともにゼロに到達すると考えることにより、一義的に算出される。

（数式２）
Ｑ２ｔ＝（Ｑ２×Ｔｓ）／２
そして、総放熱量Ｑ２ｔから総発熱量Ｑ１ｔを減算することにより、冷媒の低下に要せられるエネルギー、すなわち、放熱可能熱量Ｑ３ｔ（＝Ｑ２ｔ−Ｑ１ｔ）が算出される。そして、算出された放熱可能熱量Ｑ３ｔを燃料電池システムの熱容量で除算することにより、冷媒低下温度Ａが算出される。

ステップ３（Ｓ３）において、算出部４１は、車両減速後、補機等の消費電力を賄うために、燃料電池スタック１からの取り出しが必要となる取出電流のうち、燃料電池スタック１から取り出す最低の電流値（以下「最低取出電流」という）Ｘｓよりも余剰に取り出す電流量を余剰取出電流αとして算出する。

具体的には、算出部４１は、車両における空調装置の使用の有無、冷媒循環ポンプ３１などの補機、環境条件に応じて消費電力が大きく変化する要素を監視し、車両減速後におけるそれらの合計電力を算出する。算出された合計電力に基づいて、これを賄うために必要な、最低取出電流Ｘｓに上乗せする必要がある第１の取出電流量を算出する。

また、算出部４１は、バッテリ４の蓄電残量を監視し、最低取出電流Ｘｓに上乗せする必要がある第２の電流量を算出する。具体的には、算出部４１は、現在の取出電流に対応するドライアウト上限温度を、最低取出電流に対応するドライアウト上限温度まで低下させる場合に必要な時間（水準値復帰時間）を、外気温、外気圧、冷媒循環ポンプ３１の回転数、入口冷媒温度、三方弁３４の開度、および、ラジエータ３２を通過する風量に基づいて、算出する。そして、蓄電残量とその水準値との差分値とに基づいて、水準値復帰時間において、バッテリ４の蓄電残量を、予め設定されている蓄電残量の水準値に戻すために必要な取出電流を算出し、この取出電流に基づいて、最低取出電流Ｘｓに上乗せする必要がある第２の取出電流量を算出する。

算出部４１は、このようにして算出された第１の取出電流量および第２の取出電流量の加算値を、余剰取出電流αとして算出する。

ステップ４（Ｓ４）において、算出部４１は、余剰取出電流αに対応した温度加算値Ｃを算出する。具体的には、温度加算値Ｃは、最低取出電流Ｘｓと余剰取出電流αとの加算値に対応したドライアウト上限温度から、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂを減算することにより算出される。

ステップ５（Ｓ５）において、算出部４１は、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂに、冷媒低下温度Ａと、温度加算値Ｃとを加算した仮目標運転温度を算出する。そして、算出部４１は、この仮目標運転温度が、現在の取出電流Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）よりも大きいか否かを判断する。

図５は、冷媒低下温度Ａに基づいた目標運転温度Ｔｔの決定概念を示す説明図である。同図において、破線で示すＤ（Ｘ）は、取出電流Ｘに対応するドライアウト上限温度を示している。現在の車速で走行中の車両が減速を開始して、その後停止して、取出電流が最低取出電流Ｘｓに低下したとしても、減速時間Ｔｓにおいて冷媒の温度が低下するのであれば、目標運転温度Ｔｔは、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂよりも冷媒低下温度Ａ分だけ増加させた値に設定することができる。すなわち、目標運転温度Ｔｔは、現在の取出電流Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）と、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂに冷媒低下温度Ａを加算した値（Ａ＋Ｂ）とのうち、小さい方を選択すればよいこととなる。

図６は、余剰取出電流αに基づいた目標運転温度Ｔｔの決定概念を示す説明図である。余剰取出電流αを確保する必要があるシーンでは、取出電流は、最低取出電流Ｘｓに余剰取出電流αを加算した値となるため、目標運転温度Ｔｔは、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂに温度加算値Ｃを加味した値まで増加させることができる。したがって、目標運転温度Ｔｔは、現在の取出電流Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）と、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂに温度加算値Ｃを加算した値（Ｂ＋Ｃ）とのうち、小さい方を選択すればよいこととなる。

図７は、冷媒低下温度Ａおよび余剰取出電流αに基づいた目標運転温度Ｔｔの決定概念を示す説明図である。図４に示す冷媒低下温度Ａと、図５に示す余剰取出電流αに対応する温度加算値Ｃとは双方両立するものであるため、目標運転温度Ｔｔは、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂよりも、冷媒低下温度Ａと、余剰取出電流αに対応する温度加算値Ｃとの加算値分だけ増加させることができる。したがって、目標運転温度Ｔｔは、現在の取出電流Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）と、最低取出電流Ｘｓに対応したドライアウト上限温度Ｂに冷媒低下温度Ａおよび温度加算値Ｃを加算した値（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）とのうち、小さい方を選択すればよいこととなる。そこで、ステップ５に示すような判断により、最適な目標運転温度Ｔｔを決定することとする。

ステップ５において肯定判定された場合、すなわち、仮運転目標温度がドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）よりも大きい場合には（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＞Ｄ（Ｘ））、ステップ６（Ｓ６）に進む。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、仮運転目標温度がドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）以下の場合には（Ａ＋Ｂ＋Ｃ≦Ｄ（Ｘ））には、ステップ７（Ｓ７）に進む。

ステップ６において、算出部４１は、目標運転温度Ｔｔを、現在の取出電流Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）に設定する。一方、ステップ７において、算出部４１は、目標運転温度Ｔｔを、ドライアウト上限温度Ｂと、冷媒低下温度Ａと、温度加算値Ｃとの加算値である仮目標運転温度に設定する。

算出部４１によって目標運転温度Ｔｔが設定されると、この目標運転温度Ｔｔは、制御部４２に対して出力される。制御部４２は、目標運転温度Ｔｔに基づいて、冷媒循環ポンプ３１、ラジエータファン３３および三方弁３４の少なくとも一つを制御して、入口冷媒温度が目標運転温度Ｔｔに近づくように冷媒温度を制御する。冷媒循環ポンプ３１、ラジエータファン３３および三方弁３４の制御方法の詳細については、本出願によって出願された特開２００５−５０４０号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

ステップ８（Ｓ８）において、制御部４２は、算出部４１によって算出された余剰取出電流αがゼロよりも大きいか否かを判定する。このステップ８において肯定判定された場合、すなわち、余剰取出電流αがゼロより大きい場合には（α＞０）、ステップ９（Ｓ９）に進む。一方、ステップ８において否定判定された場合、すなわち、余剰取出電流がゼロの場合には（α≦０）、ステップ１０（Ｓ１０）に進む。

ステップ９において、制御部４２は、出力取出装置２から取り出す電流の下限制限値を、最低取出電流Ｘｓに設定する。一方、ステップ１０において、制御部４２は、出力取出装置２から取り出す電流の下限制限値を、最低取出電流Ｘｓと余剰取出電流αとの加算値（Ｘｓ＋α）に設定する。そして、制御部４２は、取出電流が下限制限値を下回らないように、出力取出装置２を制御する。

このように本実施形態よれば、車両減速時に燃料電池スタック１から放熱可能な熱量である放熱可能熱量Ｑ３ｔに基づいて、燃料電池スタック１の目標運転温度Ｔｔを算出し、この目標運転温度Ｔｔに基づいて、冷却手段を制御することで、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。これにより、ドライアウトを抑制しつつ、冷却手段の音振性能、冷却性能、燃費の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１から取り出す取出電流の現在値Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）と、最低取出電流Ｘｓに対応するドライアウト上限温度Ｂに放熱可能熱量Ｑ３ｔに対応する冷媒の低下温度Ａを加算した温度（Ａ＋Ｂ）とのうち、値の小さい方が目標運転温度Ｔｔとして算出される。そのため、燃料電池スタック１のドライアウトを抑制することができるとともに、目標運転温度Ｔｔを高い値に設定することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。また、目標運転温度Ｔｔの上げ幅は、減速によって冷媒の低下温度Ａの幅に制限されるので、ドライアウトを有効に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、車速に基づいて、車両が減速を開始してから停止するまで減速時間Ｔｓを算出するとともに、減速時間Ｔｓにおける総放熱量Ｑ２ｔから、減速時間Ｔｓにおける総発熱量Ｑ１ｔを減算することにより、放熱可能熱量Ｑ３ｔが算出されるので、目標運転温度Ｔｔを精度よく算出することができる。これにより、冷却手段の不必要な動作を抑制することができ、冷却手段の音振性能、冷却性能、燃費の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、車両が走行している走行環境を示す走行パターンをさらに考慮して減速時間Ｔｓを算出することで、放熱可能熱量Ｑ３ｔの算出精度を向上させることができる。よって、目標運転温度Ｔｔを精度よく算出することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の出力と、燃料電池スタック１の発電効率と、減速時間Ｔｓとに基づいて、総発熱量Ｑ１ｔを算出するので、放熱可能熱量Ｑ３ｔの算出精度を向上させることができる。よって、目標運転温度Ｔｔを精度よく算出することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、冷却手段は、冷媒循環ポンプ３１と、ラジエータ３２に送風するラジエータファン３３と、三方弁３４とで構成されており、燃料電池スタックの放熱に起因する放熱パラメータと、減速時間Ｔｓとに基づいて、総放熱量Ｑ２ｔが算出されており、放熱パラメータは、ラジエータ３２を通過する風量、外気温と燃料電池スタック１の運転温度との温度差、外気圧、および、ラジエータ３２を流れる冷媒流量の少なくとも一つを含む。これにより、放熱可能熱量Ｑ３ｔの算出精度を向上させることができる。よって、目標運転温度Ｔｔを精度よく算出することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、システムの運転状態に基づいて、車両減速後、燃料電池スタック１からの余剰取出電流αが算出される。そして、燃料電池スタック１から取り出す取出電流の現在値Ｘに対応するドライアウト上限温度Ｄ（Ｘ）と、最低取出電流Ｘｓと余剰取出電流αとの加算値に対応するドライアウト上限温度（Ｂ＋Ｃ）に冷媒の低下温度Ａを加算した温度とのうち、値の小さい方が目標運転温度として算出される。そのため、そのため、燃料電池スタック１のドライアウトを防止することができるとともに、目標運転温度Ｔｔを高い値に設定することができるので、冷却手段の不必要な動作を抑制することができる。また、目標運転温度Ｔｔの上げ幅は、減速によって冷媒の低下温度Ａと温度加算値Ｃとの加算値の幅に制限されるので、ドライアウトを有効に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１から取り出す取出電流の下限制限値を、最低取出電流Ｘｓに余剰取出電流αを加算した電流値に設定するので、燃料電池スタック１のドライアウトを防止することができる。

燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 コントロールユニット４０を示すブロック図 燃料電池システムにおける運転温度の制御手順を示すフローチャート 冷媒低下温度Ａの算出概念を示す説明図 冷媒低下温度Ａに基づいた目標運転温度Ｔｔの決定概念を示す説明図 余剰取出電流αに基づいた目標運転温度Ｔｔの決定概念を示す説明図 冷媒低下温度Ａおよび余剰取出電流αに基づいた目標運転温度Ｔｔの決定概念を示す説明図

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 出力取出装置
３ 電動モータ
４ バッテリ
５ 検出部
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ パージバルブ
１４ 水素希釈装置
２０ コンプレッサ
２１ 空気調圧バルブ
３１ 冷媒循環ポンプ
３２ ラジエータ
３３ ラジエータファン
３４ 三方弁
４０ コントロールユニット
４１ 算出部
４２ 制御部

Claims (9)

1. 車両用燃料電池システムにおいて、
   燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
   冷媒を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
   ドライアウトを考慮して燃料電池の取出電流に応じた上限温度を設定する上限温度設定手段と、
   現在の車速からの車両減速時に前記燃料電池から放熱可能な熱量を放熱可能熱量として算出するとともに、当該放熱可能熱量と減速後の取出電流における上限温度と、に基づいて、燃料電池の目標運転温度を算出する算出手段と、
   前記算出手段によって算出された目標運転温度に基づいて、前記冷却手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする車両用燃料電池システム。
2. 前記算出手段は、
   前記上限温度設定手段にて設定される、前記燃料電池の取出電流に応じたドライアウト上限温度、及び、
   燃料電池の最低取出電流に対応するドライアウト上限温度に、前記放熱可能熱量と燃料電池の熱容量から求められる前記冷媒により低下される温度を加算した温度、
   のうち、値の小さい方を目標運転温度として算出することを特徴とする請求項１に記載された車両用燃料電池システム。
3. 前記算出手段は、車両が現在の車速から減速を開始して停止するまでの時間を減速時間として算出するとともに、前記減速時間において冷却手段によって前記燃料電池から放熱されるトータルの熱量である総放熱量から、前記減速時間において前記燃料電池が発熱するトータルの熱量である総発熱量を減算することにより、前記放熱可能熱量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載された車両用燃料電池システム。
4. 前記算出手段は、車両が走行している走行環境を示す走行パターンをさらに考慮して、前記減速時間を算出することを特徴とする請求項３に記載された車両用燃料電池システム。
5. 前記算出手段は、前記燃料電池の出力と、当該燃料電池の発電効率と、前記減速時間とに基づいて、前記総発熱量を算出することを特徴とする請求項３または４に記載された車両用燃料電池システム。
6. 前記冷却手段は、冷媒を前記燃料電池に循環させる冷却流路と、前記冷却流路内の冷媒を循環させる冷媒循環ポンプと、前記冷却流路に設けられたラジエータと、当該ラジエータに送風するラジエータファンと、前記ラジエータを迂回して冷媒を循環させるバイパス流路と、前記バイパス流路に対する流量割合を設定する三方弁とで構成されており、
   前記算出手段は、前記冷却手段による前記燃料電池の放熱に起因する放熱パラメータと、減速時間とに基づいて、前記総放熱量を算出しており、
   前記放熱パラメータは、ラジエータを通過する風量、外気温と燃料電池の運転温度との温度差、外気圧、および、ラジエータを流れる冷媒流量の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載された車両用燃料電池システム。
7. 前記算出手段は、システムの運転状態に基づいて、車両減速後、前記燃料電池から取り出しが必要となる取出電流を余剰取出電流として算出するともに、
   前記燃料電池から取り出す取出電流の現在値に対応するドライアウト上限温度と、前記最低取出電流と前記余剰取出電流との加算値に対応するドライアウト上限温度に前記冷媒の低下温度を加算した温度とのうち、値の小さい方を目標運転温度として算出することを特徴とする請求項２に記載された車両用燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記算出部によって算出された余剰取出電流がゼロよりも大きい場合、前記燃料電池から取り出す取出電流の下限制限値を、最低取出電流に前記余剰取出電流を加算した電流値に設定することを特徴とする請求項７に記載された車両用燃料電池システム。
9. 車両用燃料電池システムにおける運転温度の制御方法において、
   ドライアウトを考慮して燃料電池の取出電流に応じた上限温度を設定する上限温度設定ステップと、
   現在の車速からの車両減速時に前記燃料電池から放熱可能な熱量を放熱可能熱量として算出するとともに、当該放熱可能熱量と減速後の取出電流における上限温度と、に基づいて、燃料電池の目標運転温度を算出する算出ステップと、
   前記算出ステップによって算出された目標運転温度に基づいて、冷媒を循環させて燃料電池を冷却する冷却手段を制御する制御ステップと、
   を有することを特徴とする車両用燃料電池システムにおける運転温度の制御方法。

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